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质子M运载火箭.
质子M,来自俄罗斯,俄语名字叫Протон-М,不会念也没关系,叫我质子M就好了。我是一枚运载火箭,标准的2000后,2001年才第一次上天。
资料图:质子M运载火箭
我们运载火箭的使命就是为了送别人上天,听起来很酷吧,但关键是,运载火箭在目前的科技水平下是不可回收的。所以,我的每一次华丽出场,都是一次告别,我的存在,就只是一个代号而已。
我可以搭载的东西很多,因为质子号是一个庞大的家族,我的先辈们曾经运送过质子1号科考卫星(因此得名)、月球探测器、国际空间站等等。我的处女航是送一颗银幕-M通信卫星上天。作为家族中最年轻的一员,我显然更年富力强。以前的质子号通常是将卫星发射到地球同步转移轨道,但我拥有一个上面级,相当于一个四级火箭可以将重型卫星直接送入地球同步轨道。怎么样,马力足够大吧。
身为重量级选手,我身高53米,将近20层楼高,最大直径7.4米。至于我的外貌,不得不承认,在外行人看来,所有的运载火箭都长一个模样——瘦高个,头尖尖,由2-4级组成,每一级都有箭体结构、推进系统和飞行控制系统等,大家最常见的肯定还是中国的长征系列。
“长征”系列运载火箭
发射过程,也即是我的告别演出,基本原理也是相同的。我之所以能够上天,并不是因为我长得比别人帅,而是大家最熟悉的动量守恒定理。每一级火箭的内部都有两个燃料箱,分别装有氧化剂和燃烧剂,当它们充分混合燃烧,产生的气体从火箭发动机的喷口中高速喷出,高速喷出气体的反作用力就让我带着人造卫星、宇宙飞船、空间站等等等等航天器进入太空,这个情形就跟我们捏住气球的进气口,然后突然松手,这时气球里的气体会向下喷出,而气球却向上跑是相似的。只不过我们火箭家族比较高富帅,而气球的含金量低了点而已。
质子M火箭发射欧洲卫星
如果你够聪明,还能计算出我飞行的最大速度,取决于喷出的气体速度和燃料燃尽时的质量与火箭升空时的质量比,这个比越大,可得到的火箭最大飞行速度也越大。(看不懂的自动去补物理课)
所以,想要问我说“当你进入外太空没有氧气是怎么提供动力”的同学们可以自动闭嘴了,不是所有的物种都离不开氧气好吗。
好了,原理弄明白了。下面说一说我是如何带着这些家伙冲出地球冲向宇宙的。
质子-M执行发射任务示意图
首先是准备(之前研发测试运输安装等超长超复杂的过程略去1000字),直接我从绑好卫星站上发射台说起,这也是我一生中最神气的时刻。
插播一句,运载火箭从地面发射到把有效载荷送入预定轨道,称为发射阶段,这也是我之所以存在的重要且唯一的功能。
在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道,分为三大部分——加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段。
当倒计时开始,随着地面控制中心的发射指令:“9、 8、 7、6、5、 4、3、 2、1,发射!”第一级火箭发动机点火,我就开始脱离发射架上升,而且速度越来越快。这就是加速度飞行段开始了。
当我垂直起飞后10秒钟数到0秒钟后,开始按预定程序缓慢地转弯。
发动机继续工作约100多秒后,我已上升到70千米左右高度,基本达到所需的入轨速度和与地面接近平行的方向时,第一级火箭发动机关机分离,同时,第二级火箭发动机点火,继续加速飞行。
当我飞行2-3分钟,高度达到150千米-200千米,基本已飞出稠密大气层,按预定程序抛掉箭头整流罩。接着,在达到预定速度和高度时,第二级火箭发动机关机、分离,至此加速飞行段结束。
这时的我已获得很大动能,在地球引力作用下,开始进入惯性飞行段,一直到与卫星预定轨道相切的位置,第三级火箭发动机开始点火,进入最后加速段飞行。
当加速到预定速度时,第三级火箭发动机关机,卫星与火箭分离,进入预定的卫星运行轨道。至此,我的任务就算完成了。
看起来激动人心的过程对吧,可是问题也来了,因为发射火箭这工作,并不像鸡生蛋蛋生鸡这么自然简单,涉及到成千上万个细节的严密控制和精细操作,尤其是一旦牵涉到人的工种,你也知道,操作上管理上总会出点问题,稍有不慎就满盘皆输。我可不是为任务失败找借口,科学嘛,总要讲究未雨绸缪,做好万全之策。
而且,在我告别地球的过程中,并不是倏地一下就不见了,消失了,我的遗体还是会四散太空,有的留在宇宙中成了太空垃圾(就像你在《地心引力》里看到的那样),有的则坠落回地球。
所以,无论我正常飞行还是出现事故,总会不可避免的把残留物弄到地球表面。想想看,生前那么大一家伙,报废后肯定也不会太迷你。我在飞行过程中会抛下这么多部件:助推火箭、一级箭体、整流罩、二级箭体、三级箭体。除去三级箭体之外,其他部件会因为高度不足,无法彻底燃烧完全而降落到地面或水面。
质子M发射通讯卫星示意图,红点是拜科努尔发射场
好嘛,整个一高空抛物啊。
但我可是高科技的高空抛物,结果不尽相同。
一级火箭的飞行高度比较低,一般在100公里以下,当他完成任务后,会与二级火箭分离,一级火箭箭体和发动机将落回地面。
三级火箭飞行高度非常高,他完成使命后,大多变成了太空垃圾,随着轨道的降低,他的身体会在重返大气时烧掉。
如果发射不顺利,火箭在飞行中爆炸,那可就惨了。
当然,如果发射成功率100%,自然能省去不少心。但实际上没有哪个国家能达到100%。虽然身为最先进一代,我也免不了失败的痛苦。自2001年首发以来,发射37次,失败就有6次,失败的原因也各种各样,发动机故障最常见(包括最近这次),最让人忍无可忍的是各种低级错误,去年夏天那次失败,竟然是关键的角速度传感器被装反了,天哪,工作人员你们可上点心把,这让我航天大国俄罗斯情何以堪。要知道中国火箭发射成功率已经跃居世界前茅了,总不能向朝鲜看齐吧。
2013年7月2日,俄质子-M运载火箭发射后爆炸,场面惨烈
发射失败不仅仅是丢面子的事,更重要的是烧钱。虽然作为一次性运载系统,本身就是砸钱的买卖,但跟失败造成的损失一比,我的身价就是九牛一毛。去年夏天(2013年7月2日)那次发射失败,我的造价加上3枚“格洛纳斯”卫星总损失超过2亿美元,好在航天署事前早有远见,为发射投保。最近这次失败(2014年5月16日),光搭载的“Express-AM4P”型通信卫星价值就超过2.75亿美元。好家伙,这哪里是发射火箭啊,简直是发射美钞啊。按照这个节奏,保险公司都要投诉我恶意骗保了。
除了这些钱财损失,还严重影响了我们和邻国的感情。因为我们质子家族都是从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场上天,导致哈萨克斯坦一度禁止我们在其家门内发射。上世纪70年代,还曾经出现过苏联“宇宙-954”号核动力卫星残骸坠落到加拿大的事故。为此,苏联政府不仅赔偿了巨额资金,航天大国形象也大打折扣。
因此,为了这万有一失的可能性,国际通行的惯例是,发射方购买足够的商业保险,并由政府出面担保,以保证有能力充分赔偿可能给第三方造成的财产损失或人员伤害。比如,美国《航天发射法案》规定必须购买第三者责任险,超过最高赔偿限额的部分,政府需提供额外的保险担保,上限为15亿美元。此外,美国宇航局明确其经费的一部分用来购买保险。英国、德国、日本、澳大利亚等也有相似规定。
而且,不得不提醒大家的是,我所使用的液体推进剂偏二甲肼/四氧化二氮有毒,一旦发射失败,泄漏的推进剂可能对环境造成污染。2007年9月6日那次发射失败,我就载有超过200吨燃料,其中包括毒性非常高的化学物质庚基,这也难怪人家哈萨克斯坦有意见,全都排放到人家的院子里了。
黑龙江从天而降的不明物体
基于这一点,我也要郑重警告大伙,一旦发现疑似火箭或航天器残骸,一定不要捡回家,更不要擅自进行切割等处理。这些部件很可能因为推进剂没有完全燃烧而带有有毒物质,或者是一个高压部件,一旦进行切割很容易发生爆炸。即便有赔偿,咱们也不能拿命开玩笑不是?最好办法是:马上通知你们当地政府,再由当地政府通知军队的专业人员来进行回收和后续处理。
最后补充一句,这次中国黑龙江连续掉落不明物体,当地的老百姓就做的挺好,当弟弟要去现场挖掘,哥哥立刻报告政府,这才是有科学素养的中国好哥哥嘛。(什么?我可没承认掉下那玩意儿跟我有半毛钱关系,千万别找我要赔偿啊。)
俄罗斯公布的坠毁质子号火箭的预定投影轨迹,经过中国东北地区上空
注:2013年10月,美国的太空探索公司研制出了可回收的“蚱蜢”(Grasshopper)火箭,它使用了全新的垂直起飞垂直降落概念,是“猎鹰—9”火箭的可回收进化版。一个“猎鹰—9”火箭的造价约在5000万美元至6000万美元之间,燃料和氧气的成本价值约为20万美元。 “蚱蜢”可回收火箭将整个发射项目的资金节省了75%以上。除美国之外,俄罗斯、欧洲、中国、印度及日本等国家也正在研制可重复使用运载火箭。”美国和俄罗斯还在积极研究可重复使用的宇宙飞船,如“龙”飞船、“猎户座”飞船、“乘员航天运输—100”飞船,每艘飞船可以重复使用10次以上。
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